Por primera vez, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore LLNL han demostrado que los nanotubos de carbono tan pequeños como ocho décimas de nanómetro de diámetro pueden transportar protones más rápido que el agua a granel, en un orden de magnitud.
La investigación valida un mecanismo de transporte de protones de 200 años de antigüedad.
Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro. En comparación, el diámetro de un cabello humano es de 20,000 nanómetros.
Las tasas de transporte en estos poros de nanotubos, que forman cables de agua unidimensionales, también superan las de los canales biológicos y los conductores de protones artificiales, lo que hace que los nanotubos de carbono sean el conductor de protones más rápido conocido. La investigación aparece en la edición en línea avanzada del 4 de abrilde la revista Nanotecnología de la naturaleza .
Las aplicaciones prácticas incluyen membranas de intercambio de protones, señalización basada en protones en sistemas biológicos y el campo emergente de la bioelectrónica de protones protónica.
"Lo bueno de nuestros resultados es que descubrimos que cuando se exprime agua en el nanotubo, los protones se mueven a través de esa agua incluso más rápido que a través del agua normal a granel", dijo Aleksandr Noy, biofísico de LLNL y autor principal deel papel. El agua a granel es similar a lo que encontraría en una taza de agua que es mucho más grande que el tamaño de una sola molécula de agua.
La idea de que los protones viajan rápidamente en soluciones saltando a lo largo de cadenas de moléculas de agua unidas por hidrógeno se remonta 200 años atrás al trabajo de Theodore von Grotthuss y sigue siendo la base de la comprensión científica del transporte de protones. En la nueva investigación, LLNLLos investigadores utilizaron poros de nanotubos de carbono para alinear las moléculas de agua en cadenas unidimensionales perfectas y demostraron que permiten que las velocidades de transporte de protones se aproximen a los límites finales del mecanismo de transporte de Grotthuss.
"La posibilidad de lograr un transporte rápido de protones cambiando el grado de confinamiento del agua es emocionante", dijo Noy. "Hasta ahora, los conductores de protones artificiales, como el polímero Nafion, utilizan un principio diferente para mejorar el transporte de protones.Hemos imitado la forma en que los sistemas biológicos mejoran el transporte de protones, lo hemos llevado al extremo y ahora nuestro sistema se da cuenta del límite máximo de conductividad de protones en un nanoporo ".
De todos los materiales hechos por el hombre, los estrechos poros hidrófobos internos de los nanotubos de carbono CNT son los más prometedores para proporcionar el nivel de confinamiento e interacciones débiles con las moléculas de agua que facilitan la formación de cadenas de agua unidimensionales unidas por hidrógeno quemejorar el transporte de protones
Las simulaciones dinámicas moleculares anteriores mostraron que el agua en nanotubos de carbono de 0.8 nm de diámetro crearía tales cables de agua y predijo que estos canales exhibirían tasas de transporte de protones que serían mucho más rápidas que las del agua a granel. Ramya Tunuguntla, investigadora postdoctoral de LLNL y elEl primer autor del artículo, dijo que a pesar de los esfuerzos significativos en los estudios de transporte de nanotubos de carbono, estas predicciones demostraron ser difíciles de validar, principalmente debido a las dificultades para crear poros de CNT de diámetro inferior a 1 nm.
Sin embargo, el equipo de Lawrence Livermore junto con colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC Berkeley pudo crear un sistema experimental simple y versátil para estudiar el transporte en poros de CNT ultra estrechos. Usaron porinas de nanotubos de carbono CNTP, unLa tecnología que desarrollaron anteriormente en LLNL, que utiliza nanotubos de carbono incrustados en la membrana lipídica para imitar la funcionalidad biológica del canal iónico. El avance clave fue la creación de porinas de nanotubos con un diámetro de menos de 1 nm, lo que permitió a los investigadores por primera vez lograrverdadero confinamiento de agua unidimensional.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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